《Environmental Microbiology Reports》：Yeast-Based Biotechnology for Civilian Security
编辑推荐：
本综述系统阐述了酵母这一多功能真核微生物在生物防御与环境保护中的前沿应用。文章聚焦酵母在重金属/有机污染物检测（如基于S. cerevisiae的生物传感器）、环境修复（如Rhodotorula mucilaginosa对Cu2+/Zn2+的吸附）及疫苗平台（如全酵母疫苗WYV）开发中的突破性进展，强调其低成本、可扩展的特性对应对混合型生物化学威胁（如水源投毒、霉菌毒素污染）的独特价值，为未来生物安全技术发展提供了可持续解决方案。
摘要
酵母作为卓越的多功能真核微生物，其应用已远超传统的发酵领域，近年来更在生物安全和民用防护相关领域成为重要工具。本文系统探讨了常规和非常规酵母如何助力生物与化学威胁的检测、中和及预防。重点综述了重组酵母细胞在重金属、有机污染物及内分泌干扰物生物传感器中的应用，及其在生物修复和毒素去除方面的作用。特别关注了基于酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）和巴斯德毕赤酵母（Komagataella phaffii）的酵母疫苗平台（如RNA和抗原展示系统）的开发。这些技术揭示了酵母如何架起生物技术与安全之间的桥梁，提供低成本、可扩展且可持续的解决方案。然而，实际部署仍面临挑战，如生物传感器的稳定性、转基因菌株的监管壁垒以及标准化校准的需求。总体而言，酵母生物技术有望成为未来生物防御和环境保护策略中一个充满韧性前景的组成部分，以加强应对混合型生物化学威胁的预备能力。
1 引言
酵母属于真菌界中一类多样化的真核微生物群。主要是单细胞的，而某些酵母物种，如二态型白色念珠菌（Candida albicans）也能发育成假菌丝或真菌丝等多细胞形式，这在不同的生态位和工业中至关重要。目前已知约有2200种酵母，分属超过150个属，但这仅代表了生物圈中栖息物种的一小部分。酵母长期以来在食品和饮料生产中备受重视，近几十年来，作为生物技术关键微生物细胞工厂的重要性日益凸显。这不仅包括历史悠久的酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae），还包括来自酵母菌亚门（Saccharomycotina）的大量“非常规酵母”，它们正在扩大工业应用的范畴。酵母的重要性在于其天然多样的代谢途径，使其能够执行复杂的生化过程，包括发酵、脂质代谢和糖醇生产。研究表明，甲基营养、脂肪生成、木糖发酵以及利用纤维素和半纤维素衍生糖等生物技术重要性状通常局限于单一系统发育分支。酵母的遗传和代谢多样性使其在生产多种化合物方面不可替代，如今已成为传统食品饮料发酵、生物质生物产品合成以及生物燃料和生物制药分子生产等关键领域的生产平台。同时，合成生物学的进步，包括CRISPR-Cas9等精密基因组编辑技术，不断扩展了生物技术中有用的酵母物种范围，实现了代谢工程和性能优化。
酵母独特的物种和菌株代谢特性、易于遗传修饰以及培养成本低的特点，使其也可被认真考虑作为与生物安全和生物防御相关的应用“平台”。同时，基于酵母的生物技术可以成为民用防御对抗混合攻击的有效工具。混合攻击是多方面的事件，可能结合生物、化学和技术元素，其目的通常是破坏关键基础设施或公共卫生系统，而非作为纯粹的生物威胁。面对这一挑战，酵母基系统可通过快速生物传感和生物修复技术增强韧性。作为生物技术工具，它有助于防御这些攻击中的生物和化学元素，加强关键国家系统的韧性。
在此背景下，生物安全并非指病原体的遏制，而是指支持检测和减轻生物或化学威胁的生物技术工具的应用。酵母应对这些威胁的潜力可在三个互补层面加以利用：检测、清除和预防未来攻击。使用酵母对抗混合攻击的一个关键优势在于其作为快速、可扩展的使能技术的作用，能够保护此类破坏性活动主要目标的关键服务。这些应用包括关键基础设施保护和即时医疗响应，从而增强国家的韧性。酵母基生物传感器有助于识别攻击特征，通过响应异常物质浓度来区分自然现象和故意破坏。它们还通过检测环境中痕量异常化学品或代谢物来监测化学载体，从而确定威胁的方向和类型。尽管潜力巨大，酵母基生物传感器仍面临显著的技术限制。其性能取决于活细胞的存活能力，这可能受到温度、pH值和有毒环境条件的强烈影响，限制了在现场应用中的稳定性。信号校准和重现性也仍具挑战性，因为代谢波动可能导致不一致的荧光或发光输出。尽管冻干和封装酵母系统改善了保质期，但长期稳定性、对转基因菌株的监管限制以及对环境胁迫的敏感性继续阻碍大规模部署。
因此，在预防混合攻击中使用酵母基生物技术工具可能涉及利用快速、模块化和廉价的生物技术来中和污染、减少响应时间并提供治疗，最终增强社会和国家对动荡的韧性。在这篇前瞻性论文中，我们讨论了酵母在检测、限制、防护和应对与混合攻击相关的威胁的一系列应用中的潜在用途的各个方面。
2 酵母在保护和预防金属环境污染中的作用
重组酵母细胞因其可被基因工程改造以高灵敏度和特异性检测包括有害物质在内的各种分析物而已成为生物传感应用的有力工具。酵母现已广泛用于监测整体环境毒性（包括饮用水和废水）的先进生物传感器。其在快速准确检测重金属方面尤其有价值，这对于公共卫生保护和应对针对水基础设施的混合攻击都至关重要。这些生物传感器的作用机制基于基因工程，例如，将报告基因（如负责生物发光或荧光的基因）插入酵母基因组。该基因由被特定因素（本例中是由有毒物质引起的氧化应激或细胞解毒途径的激活）激活的启动子控制。例如，当水样接触有毒浓度的重金属（如镉、砷、铅）时，启动子被激活，酵母细胞发出强光信号。这种即时可见的现象允许在取水点连续监测水质，从而能够快速检测非法工业废水排放或对供水系统故意攻击造成的污染。因此，对威胁的响应时间从数天缩短到数小时。酵母也被用于开发快速准确检测有害物质的生物传感器，特别是金属离子，如砷（As3+）、铜（Cu2+）、铁（Fe2+）、铅（Pb2+）和镉（Cd2+）。酵母基生物传感器提供即时读数和高精度，适用于现场使用和便携式监测设备。含有特定生物标志物的重组酵母可以检测有毒化学物质，重金属的存在通过例如绿色荧光强度发出信号。
许多酵母物种表现出天然的生物吸附和生物富集重金属的能力，这涉及将其结合到细胞表面或积累在细胞内。例如，胶红酵母（Rhodotorula mucilaginosa）和红酵母属（Rhodotorula）的其他物种具有显著积累金属（包括铜、锌、铅、铬和钴）的能力。它们的生物吸附潜力可以被评估并用于从溶液中去除这些污染物。类似地，热带念珠菌（Candida tropicalis）以其高生物富集能力著称，例如，铜的生物富集率高达94.37%。即使是众所周知的酿酒酵母（S. cerevisiae）也能有效生物吸附铜、铅和锌，其中酵母生物质中存在的游离氨基酸在金属离子配位中起关键作用。酵母独特的代谢特性使其成为金属污染环境生物修复的有希望的候选者。解脂耶氏酵母（Yarrowia lipolytica）用于生物修复，因为它能够产生金属结合蛋白和色素（如黑色素），有助于金属吸附和纳米颗粒形成。另一个物种，地霉属（Geotrichumsp. CS-67），已显示出显著积累重金属的能力，包括锌（Zn2+）、镍（Ni2+）和铜（Cu2+）。此外，从污染环境（如矿区水域）分离的酵母正在研究其去除锰（Mn2+）离子的能力，证实了其在污染水生物技术处理中的潜力。甚至酿酒酵母也被提议用于修复受密集采矿活动影响地区的重金属污染。酿酒酵母悬浮液被研究用于放射性废水去污，证明了细胞壁对钍和铀酰离子的生物吸附和络合作用。
酵母提供了一套多功能的工具——主要基于被动生物吸附和生物富集机制，并辅以生物传感器和生物修复策略——使其成为旨在减轻和监测环境中金属污染的系统中有价值的组成部分。Sibirny及其同事的进展强调，非常规酵母可以通过代谢工程有效生产燃料和高价值化学品，其特性支持在苛刻的工艺条件下运行。电化学和微电极生物传感器日益得到人工智能辅助信号分析的补充；这些进展适用于酵母基形式，并可提高精度和便携性。
3 对抗有害有机化合物威胁的酵母基工具
酵母基工具可在检测有毒有机化合物的存在并促进其中和方面发挥特殊作用，主要通过生物吸附、生物转化或酶降解而非直接化学中和。酵母可以通过多种机制减轻有毒污染，包括被动生物吸附到细胞壁多糖、细胞内生物富集和酶驱动的生物转化。最近研究报告了工程化酿酒酵母和解脂耶氏酵母对有机磷酸酯和霉菌毒素等外源物质的降解，证明了它们在解毒和环境修复方面日益增长的潜力。酵母基生物测定最常描述的用途是评估转化产物形成过程中可能的内分泌活性，例如，在含有农药的水臭氧化过程中。此类测试有助于评估与饮用水故意或意外污染相关的环境风险。另一种创新方法是使用磁性修饰的酵母细胞作为生物传感器中的活性元件。其磁性修饰允许轻松分离和检测有机外源物以及重金属离子和放射性核素。与金属一样，酵母是外源物和农药生物修复策略的重要组成部分。基因修饰的酵母可以作为全细胞催化剂或生物降解酶的异源表达宿主，有效去除土壤和水中的有毒农药残留。例如，酿酒酵母具有硝基酚生物降解和生物富集的潜力，有助于降低这些化合物的毒性。酵母生物吸附和解毒的能力源于其高吸附容量，包括物理吸附、沉淀、络合、离子交换和氧化还原反应等机制。目前，该技术解决方案的实际应用可见于酒精发酵过程中的食品工业，酵母可以降低农药残留浓度，提高葡萄酒生产的安全性。此外，酵母用于废水处理，表现出极大的多功能性和处理各种有机碳源以及甚至在非无菌条件下去除污染物的能力。
尽管有前景的解决方案，充分利用酵母的潜力需要克服某些挑战。需要解决原位降解过程的放大问题、现场试验期间的安全问题以及对某些类型农药的关注有限。此外，酵母在废水处理和污染物去除中的有效性是可变的，取决于废水的具体性质和存在的污染物类型。总之，酵母为外源物和农药的检测和去除提供了一种可持续且环境友好的方法，其应用范围从高级生物传感器到各种环境背景下的有效生物修复。
3.1 用于食品/饲料中霉菌毒素解毒的酵母平台
酵母，特别是酿酒酵母菌株，通过细胞壁吸附机制结合和降低各种毒素（主要是霉菌毒素）的生物利用度，在提高动物饲料的安全性和质量方面发挥关键作用。它们结合和解毒这些有害物质的能力，加上作为饲料添加剂的益处，使其在兽医和农业中成为有价值的工具。研究表明，酵母能有效去除多种霉菌毒素。例如，酿酒酵母SC1221菌株显示出从饲料中去除T-2毒素的强大能力。这种情况下的主要机制是物理结合而非生物转化，导致孵育后毒素显著减少。对于黄曲霉毒素B1，从动物环境中分离的酵母菌株，如酿酒酵母RC016和RC008，具有高结合该毒素的能力。重要的是，这些菌株能够在胃肠道中存活，使其成为饲料中添加的有希望的候选者。酵母也用于降低脱氧雪腐镰刀菌烯醇（DON），通常协同作用——例如，将酵母细胞壁与乳酸菌菌株结合，增强了解毒过程并改善了动物健康。总体而言，各种酿酒酵母菌株证明能够解毒多种霉菌毒素，包括黄曲霉毒素B1、DON、伏马菌素、T-2毒素和玉米赤霉烯酮，实现了其浓度的显著降低。
酵母在中和毒素方面的有效性源于几个关键作用机制：物理结合（生物吸附）、生物转化和竞争性排除。然而，最常观察到的机制是酵母细胞壁（富含甘露寡糖（MOS）和β-葡聚糖）对霉菌毒素的结合。这通过防止其被吸收到体内来降低其生物利用度和毒性。一些酵母菌株还具有将霉菌毒素生物转化为毒性较低的代谢物的天然能力。另一方面，竞争性排除涉及酵母直接抑制病原菌的生长，减少暴露于霉菌毒素的负面影响。酵母的使用超越了单纯的解毒。酵母及其衍生物通常用作饲料添加剂，以改善生长、营养吸收和整体动物健康，同时减少对抗生素的需求。由于其特性，酵母充当益生元和益生元，增强肠道健康并限制病原体定植，这在毒素污染的环境中尤其有益。应该指出，使用酵母，特别是酿酒酵母，是减轻霉菌毒素不利影响的可持续且有效的策略，有助于改善牲畜的健康、生产性能和安全性。
3.2 用于有机污染物和农药的酵母平台
酵母基生物测定是一种广泛使用且高效的方法，用于检测和定量内分泌干扰物（EDCs），即干扰内分泌系统的物质。它们的流行源于高灵敏度、可重复性和成本效益。它们使用酵母细胞作为测试平台，其中EDCs的存在导致可测量的信号。最著名的例子是酵母雌激素筛检（YES）测定。该测试使用酿酒酵母细胞，其中包含在雌激素敏感启动子控制下的lacZ报告基因。在雌激素化合物的影响下，这些细胞产生β-半乳糖苷酶，其活性可以使用荧光底物快速测量。该方法极其快速，在2小时内提供结果，并且高度灵敏，例如，对17β-雌二醇的EC50为0.17 nM。为了提高精度，还开发了表达人类激素受体并使用荧光蛋白作为报告基因的酵母生物传感器，使得能够在液体培养物中以及与薄层色谱（HPTLC）结合进行分析。一项进展是，酵母的灵敏度和模块化允许测试向高通量（HTS）微型化。基于酵母细胞核受体的分析已减少到384和1536孔板格式，能够使用不同的报告系统（例如，β-半乳糖苷酶、荧光素酶或荧光蛋白）同时快速测试多个样品。对于现场研究，开发了基于冷冻和干燥酵母（即用型酵母测定，RYAs）的分析。这些即用型试剂盒显著减少了对额外设备的需求，能够在现场直接快速评估雌激素和雄激素潜力。使用自发光酵母菌株的创新平台允许进行多重分析，即同时测试修饰各种内分泌受体（例如，ERα、 ERβ、 PR、 AR）的化合物。该平台用于测试双酚A及其替代品等化合物。为了分析复杂的环境样品，酵母生物测定与先进的分析技术相结合。基因修饰酵母与高效液相色谱（HPLC-生物测定）的结合允许在环境样品中精确分离和鉴定类雌激素化合物。另一方面，在酵母分析之前使用固相萃取（SPE）提高了复杂基质中内分泌干扰物检测的灵敏度，如检测水样中人类孕酮受体活性的抑制所证明。此外，固定化酵母细胞（例如，在明胶基质中）在更长时间内保持其存活力和灵敏度，使其非常适合在现场应用中连续监测雌激素和雄激素活性。针对战争相关蛋白质毒素（例如，蓖麻毒素、炭疽毒素、肉毒杆菌毒素）的生物传感器在一般生物传感文献中有充分记载。尽管尚未报道直接检测这些毒素的酵母基系统，但酵母生物传感器的模块化和适应性表明此类应用具有强大潜力。例如，酵母生物传感器已被设计用于检测各种化学品和代谢物，表明类似的方法可以针对特定的蛋白质毒素进行定制。简而言之，酵母基工具代表了解决化学和生物威胁的多功能且可持续的生物技术方法，范围从高级检测到有害化合物的吸附或酶基缓解。如所证明，酵母生物传感器，包括YES测定等系统，提供了检测内分泌干扰物（EDCs）和其他毒素的快速、灵敏和微型化方法，其模块化允许与高级色谱联用进行精确的环境分析。同时，酵母本身，通常是基因修饰的，是生物修复和解毒策略中的关键组成部分——从去除土壤和水中的农药到中和动物饲料中的霉菌毒素，这直接转化为提高的食品安全和公共卫生。
4 酵母作为抗毒素疗法和疫苗的生产者
酵母如酿酒酵母和毕赤酵母（最近命名为巴斯德毕赤酵母，Komagataella phaffii）已成为生产药物（包括抗毒素疗法和疫苗）的重要平台。酿酒酵母和巴斯德毕赤酵母已被证明是大量和可扩展生产重组抗原蛋白的有效系统。它们的成功通过用于生产许可且广泛使用的乙型肝炎和人乳头瘤病毒（HPV）疫苗得到证实。除了生产抗原本身，全酵母细胞，在全酵母疫苗（WYVs）中，作为将抗原（蛋白质或核酸）直接递送至抗原呈递细胞（APCs）的有效载体，促进强大且有针对性的免疫反应。一些酵母菌株产生天然杀伤毒素，对病原酵母、真菌和细菌表现出强大的抗菌特性。这些毒素正在启发新疗法的开发。已开发出模拟杀伤毒素作用并表现出针对各种感染的治疗活性的保护性抗体（KT-Abs——类杀伤毒素抗体）。酵母合成此类特异性分子的能力为开发创新和靶向药物铺平了道路。
酵母作为一种有前景的基于RNA的疫苗递送载体出现，利用其天然运输核酸和调节免疫反应的能力。Silva等人综述了多种策略，其中全酵母细胞或酵母衍生分子被基因修饰以携带编码抗原的mRNA或构建体并刺激免疫激活。此外，使用酵母表面暴露抗原的口服疫苗已在动物模型中证明可引发免疫反应。类似地，最近提出了一种表面暴露的酵母孢子平台以增强在胃肠道中的稳定性。然而，将酵母疫苗概念转化为有效的医学或兽医应用仍面临重大挑战。抗原稳定性、递送效率和免疫激活仍然是限制因素，特别是对于口服制剂。例如，Austriaco强调低pH值、胆汁盐和消化酶可能破坏抗原完整性并降低口服酵母递送系统中疫苗的功效。因此，需要进一步优化表面展示方法、封装技术和菌株选择，以提高免疫原性和保护效力。此外，基因工程能够创建表达病毒或癌症抗原的酵母。此类酵母用作治疗性疫苗，具有刺激特异性T细胞反应的潜力，为慢性疾病（如癌症和慢性病毒感染）提供了有希望的治疗方法。通过这种方式，酵母正在巩固其作为下一代药物和疫苗的多功能且可持续基础的地位。
近年来，出现了具体证据表明酵母衍生的细胞外囊泡（YEVs）可以有效地用于免疫疗法和疫苗领域。例如，来自酿酒酵母的装载有microRNA或更大mRNA的EVs已被用于抑制小鼠模型中的肿瘤生长，同时保持生物相容性和低免疫原性。另一个例子是来自酿酒酵母的YEVs用作佐剂——局部给药后，它们靶向淋巴结（B细胞区），诱导树突状细胞和巨噬细胞上促炎细胞因子和共刺激标志物的表达，这可以支持强烈的免疫反应。此外，来自面包酵母的EVs刺激免疫细胞成熟（例如，CD40、CD80、CD86的表达）以及TNF-α和IL-6的产生。另一方面，对白色念珠菌的研究表明，不同类型的EVs（酵母形式YEV与菌丝形式HEV）可能产生非常不同的效果——从高度保护到有害反应，表明在临床应用前需要精确表征EVs的组成和功能。
5 结论与未来展望
酵母的全面性，在药学中至关重要，也延伸至安全和早期预警系统领域，归因于其将生物体与数字信号相结合的独特能力。其在现场易用性是一个显著优势；它们可以在简单、通常一次性的设备（如试纸条）中实施，其中发光或颜色的变化提供即时警告信号。进一步的研究应侧重于提高这些生物传感器的灵敏度和特异性，并开发创新的、微型化的实施平台，这将使得生物系统在现场诊断和环境监测中得到更广泛和更有效的使用。总之，酵母是一个关键的多功能生物技术平台，为对抗生物恐怖主义以及混合攻击的化学和生物元素开辟了新的可能性。其独特的特性，结合易于遗传修饰和可扩展生产，使得能够实施有效的检测、中和及预防策略，为构建国家和社
